CN107489241A - 一种截水自降温屋面系统 - Google Patents
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Abstract
一种截水自降温屋面系统，该系统设有可以截留雨水并储存水分的储水屋面板，储水屋面板设置在屋面上，设有通过收集屋面雨水进而为储水屋面板提供后续水源补给的雨水收集箱，雨水收集箱放置于屋檐下或利于雨水收集的位置，抽水装置设在雨水收集箱内，抽水装置与补水管连接，抽水装置通过补水管将雨水收集箱内的水分输送至储水屋面板。截留于储水屋面板内部的水分在热天自动蒸发，降低屋面温度，减少室内热量摄入，降低建筑能耗，缓解热岛效应。本发明还能减少城市地面径流量，降低城市排水系统压力。
Description
技术领域
本发明涉及海绵城市、城市排水、建筑节能、城市热岛等领域，具体是一种截水自降温屋面系统。
背景技术
在夏季，由于太阳高度角低，大部分太阳辐射落在建筑屋顶上，低层建筑高达36-60％的热量摄入来自于屋顶。为减少建筑热量摄入，目前的措施主要是绿化屋顶降温和传统蓄水屋顶降温。绿化屋面是在屋顶实现植物绿化，通过植物的遮挡作用和蒸腾作用对建筑屋顶起到降温作用。传统蓄水屋面是在屋面防水层上蓄上一定高度的水，通过液体蒸发带走屋面的热量，同时通过水的高热容对屋面起隔热作用。但是绿化屋面和蓄水屋面的建造和维护成本过高，且占用屋面空间较大，不适合作为上人屋面。在我国南方，普通办公楼、低层住宅等建筑物屋顶常采用架空隔热板进行隔热，其造价低、维护简单、占用屋顶空间小。但由于隔热板主要为密实混凝土。一方面，混凝土材料热储大，屋顶所吸收的热量有相当大一部分进入屋内，增大建筑内部空调能耗，而另一部分热量以显热形式散失，加剧城市热岛效应。另一方面，密实屋面板既不储水也不透水，落在屋面上的雨水直接流入排水系统，可能加剧城市内涝。
若能开发一种屋面结构将雨水截留于屋面，利用蒸发降低屋面温度，对减少建筑能耗、缓解城市内涝、降低城市热岛效应均具有重大意义，是新时期城市建设的一个值得开发的重大课题。
发明内容
本发明的目的是提供一种截水自降温屋面系统，能够就地截留降雨，改变以往密实隔热板对降雨完全拒绝的做法，同时完整保留屋顶空间，超过储水屋面板截流量的雨水可储存于雨水收集箱。受太阳辐射与空气换热作用，截留于储水屋面板的水分自动逐渐蒸发，降低屋面温度，减少室内空调能耗。当储水屋面板的水分蒸发耗尽，截水自降温屋面系统会抽取雨水收集箱内水分补给屋面，使雨水得到充分利用。即使在连续晴天高温的条件下，储水屋面板内部水分蒸发完毕同时雨水收集箱水分补给耗尽，储水屋面板多孔材料处于干燥状态，由于其导热系数较小、热阻值较大，其隔热作用也比密实混凝土隔热板好。实现在自然状态下屋面主动降温，并在一定程度上缓解城市内涝。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种截水自降温屋面系统，包括若干个储水屋面板、雨水收集箱、抽水装置以及补水管，具体结构为：该系统设有可以截留雨水并储存水分的储水屋面板，储水屋面板设置在屋面上，设有通过收集屋面雨水进而为储水屋面板提供后续水源补给的雨水收集箱，雨水收集箱放置于屋檐下或利于雨水收集的位置，抽水装置设在雨水收集箱内，抽水装置与补水管连接，抽水装置通过补水管将雨水收集箱内的水分输送至储水屋面板。
所述储水屋面板内部由硬质多孔材料制成，除上表面外，储水屋面板其他外表面用不透水材料抹面封堵，水只能从上表面进入储水屋面板且不会从侧面漏出，储水屋面板将雨水截留于内部，当储水屋面板内部的储水量超出其储水能力时，雨水会从储水屋面板表面溢出，流至雨水收集箱及排水系统，避免屋面产生积水。
所述硬质多孔材料优选透水混凝土。
所述补水管一端铺设于储水屋面板之上，一端与雨水收集箱内抽水装置相连，铺设在储水屋面板上的补水管段的管壁设有若干透水孔洞，抽水装置通过补水管将雨水收集箱内的水输送至屋面坡顶，自上而下补充储水屋面板内部的持水量，使储水屋面板达到持续蒸发的效果，其补水量根据屋面面积及其构造确定。
所述补水管位于储水屋面板之上的管段沿屋面阳脊线布设，其余管段布设于储水屋面板之下。
所述补水管进水口设有纱网过滤层，防止细小颗粒堵塞补水管的出水孔洞。
所述雨水收集箱用不透水材料制成，
所述不透水材料为密实混凝土或钢板。
所述抽水装置与补水管连通，抽水装置上的控制器与热电偶连接，控制补水时机，当热电偶检测到屋面板底部温度高于设定值时，抽水装置便会通过补水管将集水箱内的水输送给储水屋面板补水。
本发明的有益效果是：
1、能够有效地降低屋面板温度，降低进入建筑屋内的热量，降低建筑顶层室内空调能耗，改善室内湿热环境，减缓城市热岛效应。
2、由于截水自降温屋面系统具有截水功能，能够就地截留降雨于储水屋面板内部，超过屋面板截流量的雨水暂时储存于雨水收集箱，当截留于屋面板内部的水分蒸发耗尽，截水自降温屋面系统通过抽水装置抽取雨水收集箱内水分通过补水管补给屋面板，使雨水充分利用，同时达到屋顶持续降温的效果。在降雨的一段时间内能够有效减缓城市排水系统压力，延迟洪峰，减少或避免城市内涝的发生。
3、该系统造价低、维护简单、占用屋面空间小，对人们在上人屋面活动的限制几乎可忽略。
附图说明
图1为本发明所述的截水自降温屋面系统的结构示意图。
图2为本发明所述的截水自降温屋面系统的储水屋面板结构示意图。
图3为本发明所述的截水自降温屋面系统的储水屋面板剖面结构示意图。
图4为本发明所述的截水自降温屋面系统的雨水收集箱结构示意图。
图5为本发明所述的截水自降温屋面系统的补水管结构示意图。
图6为截水自降温屋面和传统隔热屋面板模型的降温效果观测图。
图7为截水自降温屋面和传统隔热屋面板的降温效果图。
图中标记为：屋面截水自降温系统1、储水屋面板2、多孔材料3、不透水材料4、热电偶5、控制器6、雨水收集箱7、检修盖8、太阳能板9、抽水装置 10、补水管11、雨水收集管12、排水管13、出水孔洞14、纱网15。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1至图5所示，本发明所述的截水自降温屋面系统，包括若干个储水屋面板2、雨水收集箱7、抽水装置10以及补水管11，具体结构为：该系统设有可以截留雨水并储存水分的储水屋面板2，储水屋面板2设置在屋面上；设有通过收集屋面雨水进而为储水屋面板提供后续水源补给的雨水收集箱7；雨水收集箱7放置于屋檐下或利于雨水收集的位置，抽水装置10设在雨水收集箱7内，抽水装置10与补水管11连接，抽水装置10通过补水管11将雨水收集箱7内的水分输送至储水屋面板2。
所述储水屋面板2内部由硬质多孔材料3制成，所述硬质多孔材料3为透水混凝土，除上表面外，储水屋面板2外表面用不透水材料4抹面封堵，水只能从上表面进入储水屋面板2且不会从侧面漏出，储水屋面板2将雨水截留于内部，当储水屋面板2内部的储水量超出其储水能力时，雨水会从储水屋面板2 表面溢出，流至雨水收集箱7及排水系统，避免屋面产生积水。
补水管11位于储水屋面板2之上的管段沿屋面阳脊线布设，此管段的管壁设有若干出水孔洞14，使储水屋面板2能自上而下补充内部的持水量，让储水屋面板2达到持续蒸发的效果，其补水量需根据屋面面积及其构造确定。其余管段布设于储水屋面板之下。
所述雨水收集箱7用密实混凝土或钢板制成，利用屋面雨水收集管12收集屋面雨水，多余水量通过排水管13排出。雨水收集箱7内水分通过补水管11 对储水屋面板2提供后续水补给，雨水收集箱7放置于屋檐下或利于雨水收集的位置。雨水收集箱7设有检修盖8，方便进行维护。
所述抽水装置10设于雨水收集箱7内，由太阳能板9进行供能，并与设在储水屋面板2下部的热电偶5相连，当热电偶5检测到的屋面板底部温度高于设定值时，控制器6就会控制抽水装置10将雨水收集箱7内的水输送至补水管 11，通过补水管11给储水屋面板2补水。
工作原理
降雨时，雨水可通过储水屋面板2上表面进入内部，由于储水屋面板2的底部和四周表面由密实不透水材料组成，雨水将自动储存在储水屋面板2内部的多孔实体中。当截留雨水量超过储水屋面板2储水量，水分自动从其表面溢出，流入雨水收集箱7及排水系统，避免出现屋面积水。在太阳辐射和空气换热作用下，截留于储水屋面板2内部的水分会自动逐渐蒸发，蒸发潜热降低屋面温度。当储水屋面板2水分蒸发耗尽，储水屋面板2温度升高，抽水装置10 抽取雨水收集箱7内部的水分通过补水管11开始流入储水屋面板2。补给水被直接截留于补水管11附近储水屋面板2，而远离补水管11的屋面板无法得到直接补给。当补水管11附近屋面板储满水后，多余的补给水从储水屋面板2边缘溢出，由于重力与屋面坡度的共同影响，溢出水会自上而下依次补给远离补水管11的屋面板，最终所有屋面板都得到补给，多余的补给水自动流回雨水收集箱7内，补给终止。
储水屋面板2的具体储水量、储水水位高度、尺寸以及补水管11的布设形式等由该区域的预期降雨量、降雨频率及其强度、屋面结构形式等因素共同决定。
实例1
本实施例为本发明所述的截水自降温屋面系统利用混凝土材料制作储水屋面板2的方法。
①制备一个具有一定长宽高的模型
②准备一个内径稍小于①中模型的内框，其顶部和底部都开通，内框的高度与外框高度一致，内框壁厚应该足够小，优先选择1mm硬质轻质量金属材料。
③制备单一级配水泥砂浆。储水屋面板2的多孔储水实体由透水混凝土制成，其原料制配：水泥基胶凝材料8-15重量份，5-10mm骨料45-75重量份，水 2-4重量份。优选的：水泥10重量份，5-10mm骨料52重量份，水3重量份。严格控制拌和材料的坍落度为0mm。
④制备密级配水泥砂浆。储水屋面板2的底面和封边由密实砂浆制成，其原料配合比：水泥基胶凝材料8-15重量份，小于1mm砂45-60重量份，水3-5 重量份。优选的：水泥10重量份，小于1mm砂50重量份，水4重量份。严格控制密级配水泥砂浆的坍落度为5-10cm。
⑤在模型底部铺2-5mm密级配水泥砂浆，振动使砂浆在模型底部均匀分布。
⑥将内框安放在模型内部，内框外沿到外模型内边距离相等。距离优先考虑1-2cm。在内框内部注入单一级配砂浆，注入高度应低于内框高度2-5mm；同时在内框与外框间注满密级配砂浆。注入高度与外框高度齐平。
⑦取出内框，并适当补足或移除多余单一级配水泥砂浆，使得密级配水泥砂浆与透水混凝土结合密实，并都与模型外框高度齐平。
⑧待胶凝材料硬化若干天脱模，即形成储水屋面板2。
为验证截水自降温屋面系统的截水效果，用上述①-⑧的方法制成四个长宽高分别为50cm×50cm×2.5cm的储水屋面板2。同时在市面上购买普通混凝土屋面隔热板4个，储水屋面板2和普通混凝土屋面隔热板的尺寸完全相同。两者的密度、截水量分别如表1所示，试验结果表明，储水屋面板2的截水量约为普通混凝土屋面隔热板的50倍，即5.124kg，相当于截留了5mm的降雨于屋面板，即截水自降温屋面系统具有明显的截水效果。为了验证储水屋面板2在降雨时对径流控制的效果。将储水屋面板2与普通混凝土屋面隔热板置于模拟降雨条件下，径流产生时间如表1所示，相比普通混凝土屋面隔热板，屋面径流产生时间延迟了10-30分钟。验证了截水自降温屋面的径流控制效果。
表1两种样品的产生径流的时间对比
如果截流量在储水屋面板2内的水分一天内蒸发耗尽，平均蒸发热流量为131.6W/m2(水的蒸发潜热为2257J/g)，可极大地降低屋面温度。为进一步验证截水自降温屋面系统冷却效果。将四个储水屋面板2样品制成一个1m×1m的屋面，屋面的斜度为2％，小屋模型的墙面高为45cm，模型内部即小屋墙体和地板分别盖上2cm厚的隔热层，用热电偶观测模型内部中点的气温。同时复制一个尺寸一样、隔热条件一样的小屋模型进行对比实验，该模型屋面板用普通混凝土屋面隔热板代替储水屋面板2，两个小屋实体模型如图6所示。对于两个小屋模型，每天12:00定时通过补水管11从阳脊线给屋面板补水，直到储水屋面板2有余水溢出，停止补给。温度观测如图7所示，相比普通混凝土屋面隔热板。截水自降温屋面可降低小屋室内气温3-5摄氏度。佐证了截水自降温屋面的降温效果。
表2两种样品的密度、截水率
| 样品 | 密度(kg/m3) | 截水率(kg/m2) |
| 储水屋面板 | 2058.7 | 5.012 |
| 普通混凝土屋面隔热板 | 2335.3 | 0.096 |
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构、等效流程变换、在适当删减或增加，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种截水自降温屋面系统，包括若干个储水屋面板、雨水收集箱、抽水装置以及补水管，其特征在于，具体结构为：该系统设有可以截留雨水并储存水分的储水屋面板，储水屋面板设置在屋面上，设有通过收集屋面雨水进而为储水屋面板提供后续水源补给的雨水收集箱，雨水收集箱放置于屋檐下或利于雨水收集的位置，抽水装置设在雨水收集箱内，抽水装置与补水管连接，抽水装置通过补水管将雨水收集箱内的水分输送至储水屋面板。
2.根据权利要求1所述的截水自降温屋面系统，其特征在于，所述储水屋面板内部由硬质多孔材料制成，除上表面外，储水屋面板其他外表面用不透水材料抹面封堵，水只能从上表面进入储水屋面板且不会从侧面漏出，储水屋面板将雨水截留于内部，当储水屋面板内部的储水量超出其储水能力时，雨水会从储水屋面板表面溢出，流至雨水收集箱及排水系统，避免屋面产生积水。
3.根据权利要求2所述的截水自降温屋面系统，其特征在于，所述硬质多孔材料优选透水混凝土。
4.根据权利要求1所述的截水自降温屋面系统，其特征在于，所述补水管一端铺设于储水屋面板之上，一端与雨水收集箱内抽水装置相连，铺设在储水屋面板上的补水管段的管壁设有若干透水孔洞，抽水装置通过补水管将雨水收集箱内的水输送至屋面坡顶，自上而下补充储水屋面板内部的持水量，使储水屋面板达到持续蒸发的效果，其补水量根据屋面面积及其构造确定。
5.根据权利要求1所述的截水自降温屋面系统，其特征在于，所述补水管位于储水屋面板之上的管段沿屋面阳脊线布设，其余管段布设于储水屋面板之下。
6.根据权利要求1所述的截水自降温屋面系统，其特征在于，所述补水管进水口设有纱网过滤层，防止细小颗粒堵塞补水管的出水孔洞。
7.根据权利要求1所述的截水自降温屋面系统，其特征在于，所述雨水收集箱用不透水材料制成。
8.根据权利要求2或6所述的截水自降温屋面系统，其特征在于，所述不透水材料为密实混凝土或钢板。
9.根据权利要求1所述的截水自降温屋面系统，其特征在于，所述抽水装置与补水管连通，抽水装置上的控制器与热电偶连接，控制补水时机，当热电偶检测到屋面板底部温度高于设定值时，抽水装置便会通过补水管将集水箱内的水输送给储水屋面板补水。
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